鋼板樁施工振動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測分析*

陳建峰 姚宇昂 張菊連 姚鴻梁

(①同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092，中國)(②上海宏信設(shè)備工程有限公司，上海 201806，中國)(③上海同禾工程科技有限公司，上海 200092，中國)

0 引 言

鋼板樁是一種新型環(huán)保支護(hù)材料，具有可重復(fù)利用、耐久性強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)勢，自20世紀(jì)50年代首次應(yīng)用于鐵路橋梁圍堰施工以來，已廣泛應(yīng)用于防堤護(hù)岸、基坑支護(hù)、建橋圍堰等工程中(李仁民等，2010；侯軍，2011；張駿，2012；張玉成等，2012；豆紅強(qiáng)等，2018)。

打樁施工會(huì)引起地面的振動(dòng)，可能對周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響(高廣運(yùn)等，2018，2019；鄭海忠等，2020)。盡管鋼板樁是一種部分?jǐn)D土樁，但振動(dòng)施工仍會(huì)引起明顯的地面振動(dòng)。一些學(xué)者已對鋼板樁施工振動(dòng)開展了現(xiàn)場監(jiān)測和分析。Viking(2002)進(jìn)行了鋼板樁施工的足尺試驗(yàn)，認(rèn)為鋼板樁打入性能與場地條件、樁錘參數(shù)和鋼板樁參數(shù)等因素有關(guān)。Lidén(2012)分析了鋼板樁振動(dòng)沉樁監(jiān)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為土性對振動(dòng)衰減影響顯著，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼板樁打至較硬土層時(shí)，振動(dòng)幅值隨之增大。Deckner et al.(2015a，2015b)分析了已有的鋼板樁施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為打樁引起的地面振動(dòng)主要受場地條件、振源距離和施工方法等因素的影響。Athanasopoulos et al.(2000)進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，并分析不同學(xué)者得出的鋼板樁施工振動(dòng)時(shí)地面速度的衰減曲線，認(rèn)為利用指數(shù)函數(shù)公式可以很好地?cái)M合衰減規(guī)律。此外，國內(nèi)外專家學(xué)者也對振動(dòng)衰減規(guī)律及環(huán)境影響評(píng)估進(jìn)行了研究。Attewell et al.(1992)對振動(dòng)打樁時(shí)周邊地面振動(dòng)速度進(jìn)行了監(jiān)測，指出采用二次雙對數(shù)形式可以更好地描述振動(dòng)衰減規(guī)律。胡建敏等(2001)對鋼板樁施工進(jìn)行了振動(dòng)速度監(jiān)測，分析了鋼板樁對周邊建(構(gòu))筑物的影響。

目前對鋼板樁施工振動(dòng)的現(xiàn)場監(jiān)測還不多，本文采用自主設(shè)計(jì)的地面振動(dòng)加速度監(jiān)測系統(tǒng)對3個(gè)不同土性場地的鋼板樁施工進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，以研究不同土性條件下鋼板樁施工振動(dòng)特性及衰減規(guī)律。

1 場地工程概況

本文對3個(gè)場地進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分別為福建省寧德市某快堆廠地下室基坑支護(hù)工程、北京市某高鐵橋梁承臺(tái)施工臨時(shí)支護(hù)工程和江西省九江市某污水處理廠基坑支護(hù)工程。表1為3個(gè)場地鋼板樁入土土層的物理力學(xué)指標(biāo)。

表1 3個(gè)場地鋼板樁入土土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the penetrated soil layers in three sites

3個(gè)場地所使用的鋼板樁型號(hào)均為拉森Ⅱ型鋼板樁，長度為15m。但由于施工需要地面預(yù)留1m樁長，因此實(shí)際打入的有效樁長為14m。鋼板樁的動(dòng)彈性模量為173.4GPa，阻尼比為0.04，自振頻率為4.4Hz。場地一和場地二采用PCF-350型號(hào)的樁錘，可打入最大樁長16m，施工頻率47Hz；場地三采用ZA2019B2-02型號(hào)的樁錘，可打入最大樁長18m，施工頻率58Hz。

2 監(jiān)測系統(tǒng)及方案

圖1 地面振動(dòng)加速度監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Ground vibration acceleration monitoring systema.監(jiān)測系統(tǒng)排布圖；b.信號(hào)處理單元；c.三軸測振儀

本文中監(jiān)測沿測線距鋼板樁4m范圍內(nèi)每隔1m共布置5個(gè)測點(diǎn)，4m以外每隔2m共布置2個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)場地均監(jiān)測了2個(gè)水平方向和1個(gè)垂直方向的加速度，分別表示為切向T、徑向L和豎向V(圖2)。圖3為在場地二的現(xiàn)場監(jiān)測情況。

圖2 測試方案示意圖Fig.2 Schematic chart of the monitoring program

圖3 場地二的現(xiàn)場監(jiān)測情況Fig.3 Steel sheet pile monitoring scene

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 振動(dòng)加速度

圖4為3個(gè)場地距離鋼板樁1m處測點(diǎn)所監(jiān)測的徑向、切向和豎向峰值加速度隨打樁深度的變化曲線。由圖可見，3個(gè)場地的3個(gè)方向峰值加速度隨深度有顯著的波動(dòng)；場地一的峰值加速度全局最大值僅為0.038g，而場地二和場地三的峰值加速度全局最大值分別為0.45g和0.52g，分別要比場地一的值大11.8倍和13.7倍。Viking(2002a,2002b)、Lidén(2012)和Deckner et al.(2015b)指出，土的強(qiáng)度會(huì)對打樁振動(dòng)產(chǎn)生顯著影響?？梢钥吹?，場地二和場地三土體的黏聚力以及內(nèi)摩擦角均為場地一的2～3倍，其加速度值則相差更大。Martin(1980)、Head et al.(1992)認(rèn)為，在高阻力的土體中，打入樁的貫入速率低，則有更多的能量轉(zhuǎn)化為地面振動(dòng)，而在低阻力的土體中，打入樁的貫入速率快，幾乎沒有能量轉(zhuǎn)化為振動(dòng)。這解釋了本文不同土性中鋼板樁施工實(shí)測峰值加速度的差異。場地一主要為淤泥質(zhì)土，鋼板樁在淤泥質(zhì)土中遇到的阻力低，所引起的地面振動(dòng)響應(yīng)微弱；而場地二和場地三的土性較好，其地基承載力特征值為140kPa，是淤泥質(zhì)土地基承載力特征值的2.3倍左右，所引起的地面振動(dòng)加速度要比場地一大10多倍。

圖4 不同方向加速度隨深度的變化Fig.4 Changes of acceleration in different directions with deptha.場地一；b.場地二；c.場地三

從圖4中可以看出，場地二在1m、6～8m和10.5m深度附近位置豎向加速度偏大，場地三在約2.5m深度豎向加速度偏大。這是因?yàn)殇摪鍢对跇跺N豎向振動(dòng)下打入土體中，當(dāng)土性較好、地基阻力較大時(shí)，除鋼板樁本身與地面接觸處引起地面的豎向振動(dòng)外，已打入土層中的樁身和樁端位置的豎向振動(dòng)也會(huì)傳至地面，產(chǎn)生疊加效應(yīng)；此外，土體在受迫振動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生一定幅度的共振效應(yīng)，可使得地面的豎向加速度出現(xiàn)偏大情況。

從圖4中還可看出，鋼板樁打入過程中引起的地面徑向和切向加速度在同一深度比較接近，且隨著深度的增加有增大的趨勢。Viking(2002a,2002b)和Whenham(2011)認(rèn)為樁錘偏心夾持鋼板樁，導(dǎo)致鋼板樁在打入過程中產(chǎn)生水平位移，從而產(chǎn)生附加的水平振動(dòng)。隨著鋼板樁打入深度的增加，附加水平振動(dòng)也應(yīng)有增大的趨勢。

3.2 振動(dòng)頻率

為分析振源距離對振動(dòng)頻率分布的影響，以場地二為例，繪制不同振源距離下的頻域曲線(圖5)。由圖5可見，不同振源距離下振動(dòng)的主頻率集中在32.2～34.3Hz；同時(shí)隨著振源距離的增大，主頻率略有減小，主頻率對應(yīng)的頻域豎向加速度則快速減小，如距振源1m的主頻率為34.3Hz左右，對應(yīng)的豎向加速度為0.02g，而距振源9m的主頻率為32.2Hz左右，對應(yīng)的豎向加速度銳減為0.001g。胡建敏等(2001)對長江堤防鋼板樁防滲墻施工監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地面的振動(dòng)頻率在距振源0.4～34.4m的范圍內(nèi)均保持在18～19Hz附近。這表明振源距離對土體振動(dòng)主頻率量值影響不大。

圖5 場地二不同振源距離下的頻域曲線Fig.5 Spectrum curves vary with source distance at Site 2

圖6為距離振源1m處3個(gè)場地豎向加速度時(shí)域曲線作快速傅里葉變換后所得到頻域曲線。為方便對比，縱軸使用傅里葉振幅，并對場地一振幅放大。由圖可見，場地一和場地二振動(dòng)主頻率為34.3Hz左右，約為樁錘施工頻率(47Hz)的73%；場地三振動(dòng)主頻率為47Hz左右，約為樁錘施工頻率(58Hz)的81%。Athanasopoulos(2000)監(jiān)測了鋼板樁施工時(shí)的場地地面土體振動(dòng)，獲得了25Hz、40Hz和50Hz樁錘頻率下地面振動(dòng)主頻率分別為17Hz、25Hz和40Hz左右。圖7為本文和Athanasopoulos(2000)獲得的地面振動(dòng)主頻率與樁錘施工頻率關(guān)系，可見兩者呈較好的線性正相關(guān)關(guān)系，表明場地地面振動(dòng)主頻率與樁錘施工頻率直接相關(guān)，而與場地土性相關(guān)性不大。

圖6 樁錘振動(dòng)頻率對場地的影響Fig.6 Influence of vibration frequency of driver instrumentation on site

圖7 地面振動(dòng)主頻率與樁錘施工頻率之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between dominant frequency of site vibration and the frequency of pile hammer

3.3 振動(dòng)衰減規(guī)律及對周邊的影響評(píng)價(jià)

為分析鋼板樁施工引起的地面振動(dòng)衰減規(guī)律，并評(píng)價(jià)其對周邊建筑物的影響，采用地震波處理軟件SeismoSignal對3個(gè)方向加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，獲得峰值速度數(shù)據(jù)，繪制峰值速度值隨距離的衰減曲線如圖8所示。采用指數(shù)函數(shù)公式對峰值速度-距離關(guān)系進(jìn)行擬合，公式如下：

V=a×r-b

(1)

式中：V為距振源r處的速度；a、b為擬合系數(shù)。

由圖8可見，指數(shù)函數(shù)能較好地?cái)M合峰值速度監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)；鋼板樁施工引起的振動(dòng)在距振源4m范圍內(nèi)衰減迅速，而后衰減平緩。

圖8 峰值速度衰減曲線Fig.8 Peak velocity attenuation curvea.場地一；b.場地二；c.場地三

《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(2013)對工業(yè)和公共建筑、居住建筑、振動(dòng)敏感且具有保護(hù)價(jià)值建筑的3類建筑給出了容許振動(dòng)速度峰值。按照規(guī)范取場地振動(dòng)標(biāo)稱頻率為25Hz，這里用基礎(chǔ)處容許振動(dòng)速度峰值作為上述3個(gè)場地峰值速度擬合公式的函數(shù)值，反求振源距離r值，見表2所示，該r值即為滿足容許峰值的鋼板樁施工最小安全距離。正如前面分析的結(jié)果，場地一土性差，振動(dòng)幅值小，鋼板樁施工最小安全距離較場地二和場地三要小很多。

表2 不同建筑物條件下場地最小安全距離Table 2 Safety distance of sites under different building conditions

根據(jù)Athanasopoulos(2000)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在土性較好的粉細(xì)砂場地進(jìn)行鋼板樁施工時(shí)，距振源11.4m處監(jiān)測到的地面最大振動(dòng)速度只有1.25mm·s-1，與本文得到的結(jié)果相差不大，符合第三類建筑的要求。許錫昌等(2003)對武漢市軟土地基錘擊沉管灌注樁施工進(jìn)行監(jiān)測，得到最小安全距離為60m左右?？梢钥吹剑谕列暂^好場地施工鋼板樁安全距離仍遠(yuǎn)小于擠土型樁基在土性較差場地的安全距離。

4 結(jié) 論

本文采用自主設(shè)計(jì)的地面振動(dòng)加速度監(jiān)測系統(tǒng)對3個(gè)不同土性場地的鋼板樁施工進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，分析了鋼板樁施工過程中的地面振動(dòng)峰值加速度和振動(dòng)頻率特性，并探討了振動(dòng)衰減規(guī)律及對周邊建筑物的影響。論文得到如下主要結(jié)論：

(1)鋼板樁在低阻力土體中的貫入速率快，地面振動(dòng)響應(yīng)弱，而在高阻力的土體中貫入速率慢，地面振動(dòng)相對大很多。鋼板樁施工引起的地面徑向和切向加速度在同一深度比較接近，且隨著深度的增加有增大的趨勢。

(2)振源距離和土性對鋼板樁施工引起的場地地面振動(dòng)主頻率影響不大。場地地面振動(dòng)主頻率與樁錘施工頻率直接相關(guān)，兩者呈較好的線性正相關(guān)關(guān)系。

(3)鋼板樁施工振動(dòng)在距振源4m范圍內(nèi)衰減迅速，其施工對周圍建筑物的最小安全距離要遠(yuǎn)小于擠土型樁基的施工。